蔡建榮 羅俊 邱忠文 趙茂霖

（中國電子科技集團公司第二十四研究所 重慶市 400060）

1 引言

MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是金屬-氧化層-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的簡稱，中文簡稱MOS 器件，是一種典型的半導(dǎo)體功率器件。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進步，MOS器件性能提升明顯，應(yīng)用日益廣泛。電源控制和電源轉(zhuǎn)換是MOS器件大量使用的一個重要領(lǐng)域，在這類應(yīng)用中，MOS 器件通常作為開關(guān)使用，而其動態(tài)參數(shù)是非常關(guān)鍵的參數(shù)，直接影響到應(yīng)用電路的可靠性。因此，動態(tài)參數(shù)準確測量成為MOS 器件參數(shù)測試的重點。

但以往的測試大多受于認識層面和測試儀器設(shè)備的限制，往往對這些器件只進行了擊穿電壓、開啟電壓、漏電流等靜態(tài)參數(shù)的測試。另外由于測試方法也不統(tǒng)一，所以在動態(tài)測試方面往往成為了空白。本課題針對MOS 器件的動態(tài)參數(shù)，采用美國ITC 公司制造的57300 動態(tài)參數(shù)測試儀進測試分析，以期待對MOS 器件的動態(tài)參數(shù)測試有一個較為全面的認識。

2 MOS器件動態(tài)參數(shù)分類

對大量國外的MOS 器件的PDF 進行分析，我們將MOS 器件的動態(tài)參數(shù)歸類如下：

時間參數(shù)：

（1）td(on)：導(dǎo)通延遲時間(Turn on delay time)。

（2）tr：電流上升時間(Current Rise Time)。

（3）Ton：導(dǎo)通時間(Turn-on Time)ton 是定義為導(dǎo)通延遲時間td(on)和上升時間tr 之總和。

（4）Td(off)：截止延遲時間(Turn-off delay time tdoff)。

（5）Tf：下降時間(Fall Time tf)。

（6）Toff：截止時間，toff 是定義為截止延遲時間與下降時間tf 之總和。

柵電荷參數(shù)：

（7）Qg：柵極電荷，Qgs：柵源充電電量，Qgd：柵漏充電電量。

反向二極管參數(shù)：

（8）Trr：二極管反向恢復(fù)時間。

（9）Qrr：二極管反向恢復(fù)充電電量。

（10）di/dt：二極管反向恢復(fù)時電流變化率。

dv/dt：二極管反向恢復(fù)時電壓變化率。

3 MOS器件開關(guān)時間參數(shù)測試方案

MOS 器件一般為單極型器件，靠多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此開關(guān)速度較快，一般都在納秒數(shù)量級。MOS 器件的時間參數(shù)主要用來反映輸出信號與變化的輸入信號之間的關(guān)系，它影響器件開關(guān)的整個過程。

開關(guān)時間參數(shù)測試時，延遲時間是一個主要的因素，延遲時間通常是由柵電容的充放電效應(yīng)造成的。

MOSFET 器件的開關(guān)時間一般包括四個主要延遲時間，每個時間的定義如下：

圖1：開關(guān)時間測試電路

圖2：開關(guān)時間波形響應(yīng)

圖3：實測響應(yīng)波形

圖4：開關(guān)時間波形響應(yīng)

圖5：柵電荷測試線路圖

Td(on)導(dǎo)通延遲時間:是指輸入電壓上升到其幅值10% 到VDS（器件源漏兩端的壓降）下降到其幅值 10% 的時間。

Tr 上升時間：是指VDS 從下降10% 到下降到其其幅值 90%的時間。

而導(dǎo)通時間（開啟時間）為：Ton= Td(on)+Tr

Td(off)關(guān)斷延遲時間：是指輸入電壓下降到其幅值10% 開始到 VDS上升到其關(guān)斷電壓10%的時間。

Tf 下降時間：是指輸出電壓VDS從導(dǎo)通壓降10%到其幅值關(guān)斷電壓90% 的時間。

關(guān)斷時間為：Toff=Td(off)+Tf

功率MOSFET 的開關(guān)時間測試電路如圖1所示。

圖6：二極管Trr/Qrr 的測試電路

圖7：二極管Trr/Qrr 的測試電路與波形

其中，Vp 為產(chǎn)生驅(qū)動信號方波的脈沖信號源；RGEN為信號源內(nèi)阻；RGS為柵極電阻，RL為漏極負載電阻。LDST為輸出回路的寄生電感。

3.1 MOSFET的導(dǎo)通過程

當信號源產(chǎn)生的脈沖電壓Vp 的上升沿到來時，由于MOSFET有輸入電容，而輸入電容會有一個充電過程，使得器件的柵極電壓VGS按指數(shù)曲線上升。當VGS上升到開啟電壓Vth 時，MOS 電路形成導(dǎo)電溝道，出現(xiàn)漏極電流ID。

從Vp 前沿時刻到VGS=Vth，且開始出現(xiàn)ID的時刻，這段時間稱為導(dǎo)通延時時間td(on)。此后，ID隨VGS的上升而增大，VGS從開啟電壓Vth上升到 MOSFET 器件臨近柵極飽和區(qū)電壓VGSP這段時間，稱為上升時間tr。而MOSFET 的導(dǎo)通時間為這兩個時間的總和：

ton=td(on)+tr

3.2 MOSFET的關(guān)斷過程

如圖2所示，當Vp 信號源電壓開始下降時，柵極輸入電容上儲存的電荷通過電阻RGEN和RGS放電，使柵極電壓按指數(shù)曲線下降，當下降到VGSP時繼續(xù)下降，ID才開始減小，這段時間稱為關(guān)斷延時時間td(off)。此后，輸入電容繼續(xù)放電，VGS電壓繼續(xù)下降，ID也繼續(xù)下降到VGST時，導(dǎo)電溝道消失，這是器件的ID變?yōu)?，這段時間稱為下降時間tf。而MOSFET 的關(guān)斷時間為這兩段時間之和：

toff=td(off)+tf

圖3 為實測中用示波器捕獲的時間響應(yīng)波形。

說明：

CH1 曲線為柵極VG 電壓驅(qū)動波形。

CH2 曲線為漏極/集電極VD/VC 電壓響應(yīng)波形，有延時。

4 MOS器件柵電荷測試方案

柵電荷也是MOSFET 的重要動態(tài)參數(shù)之一。由于MOSFET 是電壓驅(qū)動型器件,驅(qū)動的過程就是柵極電壓的建立過程，而這是通過對柵源及柵漏之間的寄生電容充電來實現(xiàn)的。如圖4所示。

Qg:柵極電荷。

Qgs:柵源充電電量。

Qgd:柵漏充電電量。

以下是各時間段的分析：

t0-t1:柵壓從0 上升到Vg(th),此時漏極電流開始上升,此點的電荷為qgth。t1-t2:ID 從0 達到飽和，器件完全導(dǎo)通，漏極電壓開始下降，從t0 到t2 時間段也就是從電荷開始到第一個拐點處為Qgs，此點的輸入電壓為VGp。

t2-t3:漏極電壓從VDD下降到接近于0V 也就是從第一個拐點到第二個拐點之間部分，此段為 Qgd，也稱為“米勒”電荷。

輸入電壓從0 點到Vgs 等于一個特定的峰值驅(qū)動電壓時的電荷量 Qg。如圖5所示。

5 反向恢復(fù)參數(shù)trr/Qrr

如圖6所示，反向恢復(fù)參數(shù)trr/Qrr 主要是由于寄生的續(xù)流二極管產(chǎn)生的，測試電路主要由驅(qū)動管1 和待測管2 組成。測試電路的外加電壓是驅(qū)動管耐壓的80%。在外加電壓的情況下，信號輸送部分發(fā)出的雙脈沖經(jīng)過驅(qū)動電路放大驅(qū)動功率送到驅(qū)動管1，當?shù)谝粋€脈沖到驅(qū)動管時，管1 導(dǎo)通，電感開始充電。第一個脈沖過去后，管1 關(guān)斷，電感放電，電流由管2 的射極流向集電極，與電感形成回路。此段時間為第二個脈沖和第一個脈沖之間的延時時間。根據(jù)不同的測試器件，該延時時間可調(diào)。當?shù)诙€脈沖到來時，管1 導(dǎo)通，電感重新開始充電。管2 內(nèi)的二極管兩端由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置，該二極管不能立即關(guān)斷，需要經(jīng)過一段暫短的時間才能獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。并在關(guān)斷前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。這是因為正向?qū)〞r在PN 結(jié)兩側(cè)儲存的大量少子需要被清除掉以達到反向偏置穩(wěn)態(tài)的緣故。

下面為IR 公司某器件的規(guī)格書給出的Trr/Qrr 即反向恢復(fù)參數(shù)的測試電路及波形，如圖7所示。

6 結(jié)束語

本課題主要探討了MOS 器件在測試動態(tài)參數(shù)的一點心得和測試結(jié)果，改進現(xiàn)有的MOS器件動態(tài)參數(shù)檢測技術(shù)，增加和優(yōu)化相應(yīng)的器件封裝測試模塊，從而達到提高MOS 器件測試質(zhì)量，減少測試造成的質(zhì)量隱患，同時提高器件的測試效率。